PL210484B1

PL210484B1 - The manner of determination of rheological parameters of viscoelastic materials and device for its performance

Info

Publication number: PL210484B1
Application number: PL380741A
Authority: PL
Inventors: Jerzy Balejko
Original assignee: Univ West Pomeranian Szczecin Tech
Priority date: 2006-10-03
Filing date: 2006-10-03
Publication date: 2012-01-31
Also published as: PL380741A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do wyznaczania parametrów reologicznych artykułów żywnościowych lepkosprężystych.The subject of the invention is a device for determining the rheological parameters of viscoelastic foodstuffs.

Chcąc uzyskać kompletną informację o lepkosprężystych cechach materiału, należy wykonać bardzo czasochłonne pomiary statyczne pełzania, retardacji i relaksacji naprężeń, co może doprowadzić do poważnych zmian chemicznych i fizycznych badanego materiału biologicznego, na przykład żywności.In order to obtain complete information about the viscoelastic properties of the material, very time-consuming static measurements of creep, retardation and stress relaxation should be performed, which may lead to serious chemical and physical changes of the biological material under study, e.g. food.

Stosowane do tej pory urządzenia działające statycznie na badaną próbę, ograniczają się jedynie do wyznaczenia jednego lub dwóch parametrów, takich jak czas relaksacji lub retardacji oraz moduł sprężystości lub lepkości - wyliczanych za pomocą skomplikowanych i żmudnych metod analitycznych. Pełna charakterystyka reologiczna wymaga określenia większej niż dotychczas liczby parametrów.The devices used so far, statically acting on the test sample, are limited only to determining one or two parameters, such as the relaxation or retardation time and the modulus of elasticity or viscosity - calculated using complicated and tedious analytical methods. Full rheological characterization requires the determination of a greater number of parameters than before.

Znane z literatury patentowej urządzenia nie zmieniają zasady pomiaru parametrów, ale koncentrują się na szybkości uzyskiwania wyników przez zastosowanie elektronicznych sensorów lub na utrzymaniu przez potrzebny czas pożądanych dla prawidłowego przebiegu próby parametrów otoczenia, takich jak wilgotność czy temperatura otoczenia.The devices known from the patent literature do not change the principle of measuring parameters, but focus on the speed of obtaining results by using electronic sensors or on maintaining the environmental parameters required for the proper conduct of the test, such as humidity or ambient temperature, for the required time.

Do pierwszej grupy urządzeń można zaliczyć urządzenie przedstawione w amerykańskim opisie patentowym US 6 142 010. Penetracyjny twardościomierz oparty jest o klasyczną, sztywną ramę i śrubowy napęd systemu nacisku i penetracji suwaka penetrującego próbkę. Sensory umożliwiają szybki odczyt wartości i przesłanie sygnału do komputera pozwalającego na szybką interpretację wyników. Także reometr opisany w brytyjskim zgłoszeniu patentowym WO 03/048743 oparty jest o zasadę pomiaru oporu jaki stawia próbka penetrującej ją części urządzenia. Urządzenie przedstawione w japońskim zgłoszeniu patentowym JP2005172517 należy do drugiej grupy urządzeń, w których nacisk kładzie się na warunki otoczenia próbki. W tym przypadku próby przeprowadza się w kąpieli utrzymującej przez cały czas trwania próby stałą wilgotność i temperaturę próbki. Podstawowe wady tych urządzeń i aparatów to małe prędkości deformacji i jednostajny ruch narzędzia, wynikający z zastosowania napędu śrubowego. Wady te stawiają urządzenia w rzędzie aparatów do testów statycznych, realizujących warunki kinematyczne testu dalekie od tych, które panują w jamie ustnej podczas żucia artykułów żywnościowych. Znane jest urządzenie opisane w polskim zgłoszeniu patentowym nr PL380030, które próbuje naśladować obciążenia jakie w realnych warunkach działają na artykuły żywnościowe. Przedstawione w nim urządzenie charakteryzuje się tym, że do realizacji ruchu obrotowego zastosowano stałoprądowy silnik krokowy, a jako mechanizm zamieniający ruch obrotowy na ruch prostoliniowy narzędzia zastosowano parę kinematyczną wodzik - dźwignia dwustronna. Ruch roboczy narzędzia realizowany jest z sinusoidalnie zmienną prędkością, imitującą warunki panujące w jamie ustnej podczas ż ucia.The first group of devices includes the device presented in the American patent description US 6,142,010. The penetration hardness tester is based on a classic, rigid frame and a screw drive for the system of pressure and penetration of the slider penetrating the sample. The sensors enable quick reading of the values and sending the signal to the computer allowing for quick interpretation of the results. Also, the rheometer described in the British patent application WO 03/048743 is based on the principle of measuring the resistance of a sample of the part of the device penetrating it. The device presented in the Japanese patent application JP2005172517 belongs to the second group of devices in which the emphasis is on the ambient conditions of the sample. In this case, the tests are carried out in a bath which maintains constant humidity and temperature of the sample throughout the duration of the test. The basic disadvantages of these devices and apparatuses are low deformation rates and uniform movement of the tool resulting from the use of a screw drive. These drawbacks place the devices in a row of static test apparatuses which perform test kinematic conditions far removed from those of the oral cavity when chewing food items. The device described in the Polish patent application No. PL380030 is known, which tries to imitate the loads that in real conditions affect food products. The device presented in it is characterized by the fact that a DC stepper motor was used to implement the rotary motion, and a kinematic pair of a slider - a double-sided lever was used as a mechanism that converts the rotary motion into a rectilinear motion of the tool. The working movement of the tool is carried out at a sinusoidal variable speed, imitating the conditions prevailing in the oral cavity during chewing.

Urządzenie do wyznaczania parametrów reologicznych artykułów żywnościowych według wynalazku zawierające silnik, korpus, narzędzie penetrujące, przy czym urządzenie połączone jest z komputerem, charakteryzuje się tym, że ma silnik liniowy, którego część statyczna zamocowana jest na korpusie stanowiącym element nośny urządzenia. Wszystkie parametry eksperymentu zadawane są z klawiatury komputera i automatycznie ustawiane poprzez elektroniczny sterownik urzą dzenia i elementy wykonawcze poszczególnych podzespołów. Urządzenie wyposażone jest w oprogramowanie umożliwiające wyliczenie wszystkich parametrów reologicznych istotnych dla jednoznacznego określenia jego lepkosprężystych właściwości: wartości maksymalnego naprężenia dla danego cyklu odkształcenia, czasu wystąpienia maksymalnego naprężenia w danym cyklu deformacji, energii akumulowanej w próbie, energii odtworzonej przez badany materiał, energii rozproszonej, stopnia sprężystości, kąta przesunięcia fazowego φ, czasu relaksacji Trel, zespolonego modułu sprężystości E, składowej rzeczywistej zespolonego modułu sprężystości E', składowej urojonej zespolonego modułu sprężystości E, zespolonego modułu lepkości η*, składowej rzeczywistej zespolonego modułu lepkości η' urojonej lepkości zespolonej η.The device for rheological determination of food products according to the invention, comprising a motor, a body, a penetrating tool, the device being connected to a computer, is characterized in that it has a linear motor, the static part of which is mounted on the body constituting the support element of the device. All parameters of the experiment are set from the computer keyboard and automatically set by the electronic device controller and the actuators of individual components. The device is equipped with software that allows the calculation of all rheological parameters relevant for the unequivocal determination of its viscoelastic properties: maximum stress value for a given deformation cycle, time of maximum stress in a given deformation cycle, energy accumulated in the test, energy restored by the tested material, energy dissipated, degree elasticity, phase shift angle φ, relaxation time Trel, complex elastic modulus E, real component of complex elastic modulus E ', imaginary component of complex elastic modulus E, complex viscosity modulus η *, real component of complex viscosity modulus η' of imaginary complex viscosity η.

Zastosowanie silnika liniowego umożliwia ruch posuwisto-zwrotny niejednostajny z różnymi prędkościami - ruch oscylacyjny w pionie, ponadto prędkość zagłębiania narzędzia jest programowana przed eksperymentem i może mieć zmienny charakter. Urządzenie umożliwia testowanie szerokiej gamy artykułów żywnościowych od żeli, poprzez pieczywo, nabiał, ryby, mięso, zboża aż po owoce. Sposób mocowania badanej próbki na stoliku tensometra nie wymaga szczególnego jej przygotowania.The use of a linear motor enables non-uniform reciprocating motion with different speeds - vertical oscillating motion, moreover, the tool penetration speed is programmed before the experiment and may be of a variable nature. The device allows you to test a wide range of food products, from gels, through bread, dairy products, fish, meat, cereals to fruit. The method of mounting the test sample on the strain gauge table does not require any special preparation.

Urządzenie stanowiące przedmiot niniejszego wynalazku jest przedstawione na rysunku, na którym Fig. 1 pokazuje widok z boku, zaś Fig. 2 - widok z przodu. Fig. 3 przedstawia przykładoweThe device of the present invention is illustrated in the drawing, in which Fig. 1 shows a side view and Fig. 2 a front view. Fig. 3 shows an example

PL 210 484 B1 przebiegi ruchu roboczego narzędzia według dowolnego zaprogramowanego przez użytkownika przebiegu zmian odkształcenia w czasie w badanej próbie podczas jednego lub wielu cykli deformacji trwających w zależności od rodzaju testu. Czasy te wahają się pomiędzy 0.1 s do czasu nieskończenie długiego.The tool movement patterns according to any user-programmed pattern of deformation changes with time in the test under test during one or more deformation cycles depending on the test type. These times vary from 0.1 s to infinitely long.

Urządzenie zawiera podzespół napędowy, układ sterowania elektronicznego oraz elementy nośne konstrukcji. Podzespół napędowy urządzenia stanowi stałoprądowy silnik liniowy, którego część statyczna (1) zamocowana jest na korpusie (2) stanowiącym element nośny urządzenia. Na dolnym końcu ruchomej części silnika liniowego (3) zamocowany jest szybkomocujący uchwyt (4) narzędzia penetrującego (5). Konstrukcja ramy nośnej (2) gwarantuje niekrępujący ruchów operatora dostęp do stolika tensometru (6), na którym spoczywa próbka badanego materiału, łatwy sposób mocowania i wymiany narzędzia penetrującego (5), stabilność i bezpieczeństwo pracy urządzenia oraz łatwość czyszczenia powierzchni stolika tensometru (6). Wszystkie parametry eksperymentu, łącznie z charakterem przebiegu zmian odkształcenia i naprężenia, zadaje się z klawiatury komputera i są automatycznie ustawiane poprzez elektroniczny sterownik urządzenia i elementy wykonawcze poszczególnych podzespołów.The device includes a drive sub-assembly, an electronic control system and load-bearing elements of the structure. The drive sub-assembly of the device is a DC linear motor, the static part (1) of which is mounted on the body (2), which is the load-bearing element of the device. At the lower end of the movable part of the linear motor (3) there is a quick-release holder (4) of the penetrating tool (5). The structure of the support frame (2) guarantees access to the strain gauge table (6), on which the tested material sample rests, easy way to attach and replace the penetrating tool (5), stability and safety of the device operation and easy cleaning of the strain gauge table surface (6). . All parameters of the experiment, including the nature of the course of changes in deformation and stress, are set from the computer keyboard and are automatically set by the electronic device controller and actuators of individual components.

Claims

A device for determining the rheological parameters of viscoelastic foodstuffs, comprising a motor, a body, a penetrating tool, the device being connected to a computer, characterized by the fact that it has a linear motor, the static part (1) of which is mounted on the body (2), which is the supporting element of the device.